JP2022541653A - Focal plane array system for FMCW LiDAR - Google Patents
Focal plane array system for FMCW LiDAR Download PDFInfo
- Publication number
- JP2022541653A JP2022541653A JP2022505269A JP2022505269A JP2022541653A JP 2022541653 A JP2022541653 A JP 2022541653A JP 2022505269 A JP2022505269 A JP 2022505269A JP 2022505269 A JP2022505269 A JP 2022505269A JP 2022541653 A JP2022541653 A JP 2022541653A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- coherent
- focal plane
- axis
- beams
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims abstract description 91
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 85
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 5
- 239000013256 coordination polymer Substances 0.000 abstract description 58
- 238000003491 array Methods 0.000 description 13
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 11
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 6
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 5
- 101710082751 Carboxypeptidase S1 homolog A Proteins 0.000 description 4
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 102100023804 Coagulation factor VII Human genes 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 238000000276 deep-ultraviolet lithography Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000001127 nanoimprint lithography Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/483—Details of pulse systems
- G01S7/486—Receivers
- G01S7/4861—Circuits for detection, sampling, integration or read-out
- G01S7/4863—Detector arrays, e.g. charge-transfer gates
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
- G01S17/06—Systems determining position data of a target
- G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
- G01S17/32—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
- G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
- G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
- G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
- G01S7/4812—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver transmitted and received beams following a coaxial path
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
- G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
- G01S7/4815—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone using multiple transmitters
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
- G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
- G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/491—Details of non-pulse systems
- G01S7/4912—Receivers
- G01S7/4913—Circuits for detection, sampling, integration or read-out
- G01S7/4914—Circuits for detection, sampling, integration or read-out of detector arrays, e.g. charge-transfer gates
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
- G02B27/4272—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1866—Transmission gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
- Measurement Of Optical Distance (AREA)
Abstract
LiDARシステム(例えば、周波数変調連続波(FMCW、Frequency Modulated Continuous Wave)LiDARシステム)は、焦点平面アレイ(FPA、Focal Plane Array)を含む。FPAシステムは、コヒーレントピクセルアレイ(CPA、Coherent Pixel Array)と回折格子スタック(DGS、Diffraction Grating Stack)を含む。CPAは、コヒーレントピクセル(CP、Coherent Pixel)を含み、CPは、それぞれコヒーレント光を放出するように構成される。DGSは、CPAから放出されるコヒーレント光を1つ以上の光ビームとして環境内に回折させるように位置設定された少なくとも1つの回折格子を含む。1つ以上の光ビームのそれぞれは、特定の角度で放出され、特定の角度は、1つ以上のビームを形成するコヒーレント光を生成したCPの位置に部分的に基づく。A LiDAR system (eg, a Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) LiDAR system) includes a Focal Plane Array (FPA). FPA systems include Coherent Pixel Array (CPA) and Diffraction Grating Stack (DGS). The CPA includes Coherent Pixels (CPs), each of which is configured to emit coherent light. The DGS includes at least one diffraction grating positioned to diffract coherent light emitted from the CPA as one or more light beams into the environment. Each of the one or more light beams is emitted at a particular angle, the particular angle being based in part on the position of the CP that produced the coherent light forming the one or more beams.
Description
関連出願についての相互参照
本出願は、全体の開示内容が本明細書に参照として含まれる2019年7月26日付に出願された米国臨時出願番号第62/879、382号および2019年7月26日付に出願された米国臨時出願番号第62/879、383号についての35U.S.C§119(e)下の優先権を主張する。
CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application is the subject of U.S. Provisional Application No. 62/879,382 filed July 26, 2019 and July 26, 2019, the entire disclosures of which are incorporated herein by reference. 35 U.S. Provisional Application No. 62/879,383 filed on date 35 U.S.C. S. Claim priority under C§119(e).
本開示内容は、一般的に、周波数変調連続波(FMCW、Frequency Modulated Continuous Wave)光検出および距離測定(LiDAR、Light Detection and Ranging)に関するものであって、特にFMCW LiDARシステムのための焦点平面アレイシステムに関する。 FIELD OF THE DISCLOSURE The present disclosure relates generally to Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) Light Detection and Ranging (LiDAR), and more particularly to focal plane arrays for FMCW LiDAR systems. Regarding the system.
従来のLiDARシステムは、レーザービームをステアリングするために機械的移動部品およびバルク光学レンズ素子(すなわち、屈折レンズシステム)を使用する。そして、多数の応用(例えば、自動車)の場合、かさばりすぎ、高価で信頼できない。 Conventional LiDAR systems use mechanical moving parts and bulk optical lens elements (ie, refractive lens systems) to steer the laser beam. And for many applications (eg automotive) they are too bulky, expensive and unreliable.
LiDARシステムのためのレンズフリー焦点平面アレイ(FPA、Focal Plane Array)システム。LiDARシステムは、例えば、FMCW LiDARシステムであり得る。FPAシステムは、1つ以上の光ビームを環境内に放出する。1つ以上のビームは、環境内のオブジェクトから反射および/または散乱し、FPAシステムによって検出される。LiDARシステムは、検出されたリターン光を使用して環境を説明する深さ情報を生成する。FPAシステムは、コヒーレントピクセルアレイ(CPA、Coherent Pixel Array)と回折格子スタック(DGS、Diffraction Grating Stack)を含む。CPAは、複数のコヒーレントピクセル(CP、Coherent Pixel)を含む。CPは、1Dまたは2Dアレイに配列され得る。CPは、干渉光を放出し、またリターン光を受信する。DGSは、直列に配列された1つ以上の回折格子を含む。DGSは、CPAアレイ内のそれぞれのCPによって放出された光をコリメートする薄い非周期的回折格子から構成され得る。DGSは、CPAによって放出されたコヒーレント光を1つ以上の光ビームとして環境内に指向させる。一部の実施形態において、DGSは、またCPAのCPから放出した光をコリメートする。1つ以上の光ビームは、それぞれ特定の出力角度で放出され、特定の出力角度は、1つ以上のビームを形成するコヒーレント光を生成したCPの位置に部分的に基づく。一部の実施形態において、特定の出力角度は、それぞれのCPについて固有であり、それぞれのCPからの前記光は、DGSによってそのCPに固有の角度で光ビームとして出力される。 Lens-free Focal Plane Array (FPA) systems for LiDAR systems. The LiDAR system can be, for example, an FMCW LiDAR system. FPA systems emit one or more light beams into the environment. One or more beams are reflected and/or scattered from objects in the environment and detected by the FPA system. LiDAR systems use the detected return light to generate depth information that describes the environment. FPA systems include Coherent Pixel Array (CPA) and Diffraction Grating Stack (DGS). The CPA includes a plurality of coherent pixels (CP, Coherent Pixel). CPs can be arranged in 1D or 2D arrays. The CP emits coherent light and receives return light. A DGS includes one or more diffraction gratings arranged in series. A DGS can consist of a thin aperiodic grating that collimates the light emitted by each CP in the CPA array. The DGS directs the coherent light emitted by the CPA as one or more light beams into the environment. In some embodiments, the DGS also collimates light emitted from the CP of the CPA. The one or more light beams are each emitted at a specific output angle, the specific output angle being based in part on the position of the CP that produced the coherent light forming the one or more beams. In some embodiments, a particular output angle is unique for each CP, and the light from each CP is output by the DGS as a light beam at an angle unique to that CP.
FPAシステムは、CPAの異なるCPを選択的に活性化することによって、1つ以上のビームを1Dおよび/または2Dにスキャンすることができる。CPA内のピクセルの位置に応じて、DGSから出るコリメートされたビームは、互いに異なる出力角度で伝播する。したがって、それぞれのCPは、DGSについて固有の位置を有し、一部の実施形態において、DGSは、DGSから固有の角度で出力される対応する光ビームを形成するためにそれぞれの個別のCPから放出されるコヒーレント光を回折させるように位置設定される。この効果は、LiDARビームがプローブされている環境を横切ってステアリングされることを可能にする。このように、FPAシステムは、FPAシステムの視野の一部(例えば、部分)または全体にわたって1つ以上の光ビームをスキャンするように構成され得る。FPAシステムは、1つ以上の光ビームを1次元または2次元にスキャンすることができる。逆に、特定のリターン角度でDGSに伝播する光ビームは、DGSによってCPA上の1つのスポットにフォーカシングされる。例えば、ビームを放出したCPは、反射/散乱したビームを受信するCPであり得る。 An FPA system can scan one or more beams in 1D and/or 2D by selectively activating different CPs of the CPA. Depending on the position of the pixel within the CPA, the collimated beams exiting the DGS propagate at different output angles. Each CP thus has a unique position with respect to the DGS, and in some embodiments, the DGS is positioned from each individual CP to form a corresponding light beam that is output from the DGS at a unique angle. Positioned to diffract the emitted coherent light. This effect allows the LiDAR beam to be steered across the environment being probed. As such, the FPA system may be configured to scan one or more light beams across a portion (eg, portion) or the entire field of view of the FPA system. FPA systems can scan one or more light beams in one or two dimensions. Conversely, a light beam propagating to the DGS with a particular return angle will be focused by the DGS to one spot on the CPA. For example, the CP that emitted the beam may be the CP that receives the reflected/scattered beam.
一部の実施形態において、FPAシステムは、CPAのCPから放出した軸外し光(Off-Axis Light)を(例えば、主放出軸がCPAアレイに実質的に垂直である)軸上光(On-Axis Light)に変換するために光学素子(例えば、マイクロプリズム(Microprism)アレイ、ブレーズド回折格子(Blazed Grating)など)を含む。このようにして、CPから放出される軸外し光は、軸上に放出されるように回折し得、軸上光は、DGSに提供される。そして、逆に、局所環境から反射した光は、DGSと光学素子を通過した後にCPから検出され得る。 In some embodiments, the FPA system converts off-axis light (eg, where the principal emission axis is substantially perpendicular to the CPA array) emitted from the CPs of the CPA to on-axis light (on-axis light). Axis Light), including optical elements (eg, Microprism arrays, Blazed Gratings, etc.). In this way, off-axis light emitted from the CP can be diffracted to be emitted on-axis, and on-axis light is provided to the DGS. And conversely, light reflected from the local environment can be detected from the CP after passing through the DGS and optics.
一部の実施形態において、FMCW LiDARシステムは、FPAシステムを含む。FPAシステムは、CPAとDGSを含む。CPAは、CPを含み、それぞれのCPは、コヒーレント光を放出するように構成される。DGSは、CPAから放出されるコヒーレント光を1つ以上の光ビームとして環境内に回折させるように位置設定された少なくとも1つの回折格子を含む。そして、1つ以上の光ビームは、それぞれ特定の角度で放出され、特定の角度は、1つ以上のビームを形成するコヒーレント光を生成したCPの位置に部分的に基づく。 In some embodiments, the FMCW LiDAR system includes an FPA system. FPA systems include CPA and DGS. The CPA includes CPs, each CP configured to emit coherent light. The DGS includes at least one diffraction grating positioned to diffract coherent light emitted from the CPA as one or more light beams into the environment. One or more light beams are then each emitted at a particular angle, the particular angle being based in part on the position of the CP that generated the coherent light forming the one or more beams.
一部の実施形態において、FMCW LiDARシステムのDGSが説明される。DGSは、コヒーレントピクセルアレイ(CPA)のコヒーレントピクセル(CP)から放出されるコヒーレント光を1つ以上の光ビームとして環境内に回折させるように位置設定された少なくとも1つの回折格子を含み、1つ以上の光ビームは、それぞれ特定の角度で放出され、特定の角度は、1つ以上のビームを形成するコヒーレント光を生成したCPの個別の位置に部分的に基づく。 In some embodiments, DGS for FMCW LiDAR systems is described. The DGS includes at least one diffraction grating positioned to diffract coherent light emitted from coherent pixels (CPs) of a coherent pixel array (CPA) as one or more light beams into an environment; Each of these light beams is emitted at a specific angle, the specific angle being based in part on the individual positions of the CPs that produced the coherent light forming one or more beams.
本開示の実施形態の他の利点および特徴は、添付の図面の例に関連する以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲からより確実に明らかになるであろう。 Other advantages and features of embodiments of the present disclosure will become more clearly apparent from the following detailed description and the appended claims, taken in conjunction with the accompanying drawing examples.
LiDARシステムは、システムの視野についての深さ情報(例えば、1つ以上のオブジェクトについての距離、速度、加速度)を決定する。LiDARシステムは、FMCW LiDARシステムであり得る。LiDARシステムは、FPAシステムを含む。 A LiDAR system determines depth information (eg, distance, velocity, acceleration for one or more objects) about the field of view of the system. The LiDAR system may be an FMCW LiDAR system. LiDAR systems include FPA systems.
FPAシステムは、1つ以上の光ビームを環境内に放出する。FPAシステムは、FPAシステムの視野の一部(例えば、部分)または全体にわたって1つ以上の光ビームをスキャンするように構成され得る。FPAシステムは、1つ以上の光ビームを1次元または2次元にスキャンすることができる。FPAシステムは、1つ以上のビームをステアリングおよび/または作るためにレンズを使用しない。1つ以上のビームは、環境内のオブジェクトから反射および/または散乱し、FPAシステムによって検出される。FPAシステムは、スイッチ可能なCPAとDGSを含む。CPAは、CPを含み、CPは、それぞれコヒーレント(Coherent)光を放出するように構成される。DGSは、直列に配列された(例えば、非周期的な)1つ以上の回折格子を含む。さらに、一部の実施形態において、DGSは、また並列に配列された追加の回折格子を含み得る。1つ以上の回折格子は、CPAから放出されるコヒーレント光を1つ以上の光ビームとして(例えば、回折を通して)環境内に指向させるように位置設定される。一部の実施形態において、DGSは、またCPによって放出された光をコリメートする。そして、1つ以上の光ビームは、それぞれ特定の角度で放出され、特定の角度は、1つ以上のビームを形成するコヒーレント光を生成したCPの位置に部分的に基づく。したがって、それぞれのCPは、DGSについて固有の位置を有し、一部の実施形態において、DGSは、DGSから固有の角度で出力される対応する光ビームを形成するためにそれぞれの個別のCPから放出されるコヒーレント光を回折させるように位置設定される。このように、FPAシステムは、CPAの異なるCPを選択的に活性化することによって、視野にわたって1つ以上のビームを1Dおよび/または2Dにスキャンすることができる。リターン光は、特定のリターン角度でDGSに入射し、DGSは、リターン光のリターン角度の関数としてリターン光を特定のCPに指向させる。したがって、CPからの光で構成されたビームの出力角度がリターン光のリターン角度と一致する場合、DGSは、リターン光をその同じCPに指向させる。 FPA systems emit one or more light beams into the environment. An FPA system may be configured to scan one or more light beams across a portion (eg, portion) or the entire field of view of the FPA system. FPA systems can scan one or more light beams in one or two dimensions. FPA systems do not use lenses to steer and/or shape one or more beams. One or more beams are reflected and/or scattered from objects in the environment and detected by the FPA system. The FPA system includes switchable CPA and DGS. The CPA includes CPs, each of which is configured to emit coherent light. A DGS includes one or more gratings arranged in series (eg, non-periodic). Additionally, in some embodiments, the DGS may also include additional diffraction gratings arranged in parallel. One or more diffraction gratings are positioned to direct (eg, through diffraction) coherent light emitted from the CPA as one or more light beams into the environment. In some embodiments, the DGS also collimates the light emitted by the CP. One or more light beams are then each emitted at a particular angle, the particular angle being based in part on the position of the CP that generated the coherent light forming the one or more beams. Each CP thus has a unique position with respect to the DGS, and in some embodiments, the DGS is positioned from each individual CP to form a corresponding light beam that is output from the DGS at a unique angle. Positioned to diffract the emitted coherent light. Thus, an FPA system can scan one or more beams in 1D and/or 2D across a field of view by selectively activating different CPs of the CPA. The return light strikes the DGS at a particular return angle, and the DGS directs the return light to a particular CP as a function of the return angle of the return light. Therefore, if the output angle of the beam composed of light from a CP matches the return angle of the return light, the DGS will direct the return light to that same CP.
一部の実施形態において、FPAシステムは、また、CPAのCPから放出した軸外し(Off-Axis)光を軸上(On-Axis)光(例えば、主放出軸がCPAアレイに実質的に垂直な光)に変換するために、光学素子(例えば、マイクロプリズム(Microprism)アレイ、ブレーズド回折格子(Blazed Grating)など)を含む。一部の実施形態において、CPAに垂直に伝播する光は、CPAの光軸に実質的に平行である。このようにして、CPから放出される軸外し光は、軸上に放出されるように回折し得、軸上光は、DGSに提供される。そして、逆に、局所環境から反射した光は、DGSと光学素子を通過した後にCPから検出され得る。光学素子は、CPAとDGSとの間に位置設定され得、光学素子は、CPAによって放出された軸外し光を軸上にあるように再指向させるように位置設定され、軸上光は、CPAの光軸に実質的に平行である。 In some embodiments, the FPA system also converts off-axis light emitted from the CPs of the CPA to on-axis light (e.g., the principal emission axis substantially perpendicular to the CPA array). optical elements (e.g., Microprism arrays, Blazed Gratings, etc.) to convert the light into light). In some embodiments, light propagating perpendicular to the CPA is substantially parallel to the optic axis of the CPA. In this way, off-axis light emitted from the CP can be diffracted to be emitted on-axis, and on-axis light is provided to the DGS. And conversely, light reflected from the local environment can be detected from the CP after passing through the DGS and optics. An optical element may be positioned between the CPA and the DGS, the optical element positioned to redirect off-axis light emitted by the CPA to be on-axis, and on-axis light directed to the CPA substantially parallel to the optical axis of the
CPは、リターン光を使用して1つ以上の出力信号を生成する。1つ以上の出力信号は、LiDARシステムの視野についての深さ情報を決定するために使用される。深さ情報は、LiDARシステムの視野内の様々な表面までの距離(Range)を示し、また、LiDARシステムの視野内のオブジェクトの速度を説明する情報も含み得る。 The CP uses the returned light to generate one or more output signals. One or more output signals are used to determine depth information about the field of view of the LiDAR system. Depth information indicates the range to various surfaces within the field of view of the LiDAR system and may also include information describing the velocity of objects within the field of view of the LiDAR system.
FPAシステムが少なくとも1次元で光をステアリングできることに注意するべきである。そして、一部の実施形態において、CPは、FPAシステムが光ビームを2次元でステアリングできるように2次元に配列される。移動部品なしでビームをステアリングできることは、従来の機械的に駆動される多数のLiDARシステムで発見されるフォームファクタ、コスト、および信頼性の問題を軽減することができる。さらに、FPAシステムのDGSは、FPAベースのLiDARシステム内のレンズに代替的な費用対効果が高く、軽量で小型のフォームファクタを有する。また、DGSは、従来のレンズが提供するものより高い追加の自由度を追加し、そうでない場合に成就できるものより高い性能を潜在的に可能にする。 It should be noted that the FPA system can steer light in at least one dimension. And, in some embodiments, the CPs are arranged in two dimensions so that the FPA system can steer the light beam in two dimensions. The ability to steer the beam without moving parts can alleviate form factor, cost, and reliability issues found in many conventional mechanically driven LiDAR systems. Furthermore, the DGS of FPA systems have a cost-effective, lightweight and compact form factor alternative to lenses in FPA-based LiDAR systems. DGS also adds an additional degree of freedom over what conventional lenses offer, potentially enabling higher performance than could otherwise be achieved.
図1は、一部の実施形態によるFPAシステム111のダイヤグラムを示す。FPAシステム111は、LiDARのためのCPA100およびDGS110を含む。CPA100は、複数のCP102を含む。CPA100は、例えば、個別のCPの1Dまたは2Dアレイであり得る。それぞれのCPは、DGS110に向かって垂直に光ビームを放出し、このビームの特性は(例えば、ビーム103、104によって示されたように)、CPの位置に応じて変わり得る。ビーム103、104は、DGS110を介して伝播し、CPA100内のソースCPの位置に応じた個別の角度で出射される。例えば、CP101がオンになると、DGS110は、入射ビーム103を(実線で示されている)コリメートされた出射ビーム107に変換する。対照的に、CP102からの光は、DGS110がコリメートされた出射ビーム108として出力する(点線で示されている)ビーム104として示される。任意の所与の時間に、1つ以上のCPをアレイで活性化できる。
FIG. 1 shows a diagram of an
DGS110は、1つ以上の非周期的回折格子105から構成される。一般的に、DGS110は、複数の非周期的回折格子105を含む。少数のCPがDGS110の中心軸の近くに位置設定された一部の実施形態において、単一の非周期的回折格子を使用できる。DGS110内の非周期的回折格子105は、直列および/または並列に配列され得る。例えば、図1は、直列に配列された複数の非周期的回折格子105を示す。他の実施形態において、DGS110は、並列に配列された複数の非周期的回折格子を含み得、複数の非周期的回折格子の少なくとも一部も直列に配列される。例えば、DGS110は、DGS110の光軸に中心を置く中心領域を含み得、中心領域は、周辺領域によって囲まれる。一部の実施形態において、中心領域は、1つ以上の非周期的回折格子の第1セットを含み得、周辺領域は、互いに直列に配列された非周期的回折格子の他のセットを含み得る。この配列は、周辺領域を通過する光が中心領域を通過する光とは異なる方式で操作されるようにすることができる。例えば、中心領域は、周辺領域によって生成されたビーム角度の範囲よりも小さい範囲のビーム角度(例えば、出力ビーム角度)を生成し得る。他の実施形態において、中心領域における非周期的回折格子の数は、周辺領域における非周期的回折格子の数よりも多い。これは、例えば、費用対効果の高い方法で中心領域の近くのCPから放出されるビームのアパーチャ(Aperture)を改善するのに有用であり得る。
このような回折格子は、連続的に変調された位相または個別位相レベルのセットを有し得る。格子105は、ガラスなどの低屈折率の材料、またはシリコンや他の半導体などの高屈折率の材料から製造できる。格子は、表面レリーフ格子(Surface Relief Grating)、正弦波格子(Sinusoidal Grating)、ブレーズド回折格子(Blazed Grating)、階段格子(Step Grating)、またはこれらの一部の組み合わせのような様々な形を取り得る。これは、ナノインプリントリソグラフィ(Nano-Imprint Lithography)、ディープ紫外線リソグラフィ(Deep Ultra Violet Lithography)、または通常の技術を有する者が利用可能な他の製造技術を使用して製造できる。DGS110に複数の回折格子がある実施形態において、格子は、媒質106によって分離できる。この媒質は、システムパラメータによって求められるように、空気であるか、またはポリマーまたはガラスのような他の高屈折率の材料であり得る。1つ以上の非周期的回折格子105は、互いにCPA100に直列に配列される。
Such gratings may have either continuously modulated phases or a set of discrete phase levels. Grating 105 can be made from a low refractive index material such as glass, or a high refractive index material such as silicon or other semiconductors. Gratings take various forms such as Surface Relief Gratings, Sinusoidal Gratings, Blazed Gratings, Step Gratings, or some combination thereof. obtain. It can be manufactured using Nano-Imprint Lithography, Deep Ultra Violet Lithography, or other manufacturing techniques available to those of ordinary skill. In embodiments where
通常の技術を有する者は、CPA100内の異なるCPからコリメートされたビームに結合された電力を最大化するように、DGS110の回折格子を設計できる。図1のFPAシステム111は、FPAシステム111から環境内に放出される光を示しており、光は、リターン光(図示せず)として環境内からFPAシステム111に再び反射/散乱する可能性があることに注意するべきである。一部の実施形態において、DGS110は、リターン光が放出CPにリターンされるようにするものである(例えば、ビーム107からのリターン光は、CP101によって検出され、ビーム108に対応するリターン光は、CP102によって検出される)。例えば、送信方向に、CPによって放出された光は、DGS110を通過する。ビームがスタックを介して伝播かつ回折するにつれて、これは特定の角度(例えば、出力ビーム角度)でコリメートされたビームに作られる。このビームが(拡散)表面から反射するとき、光は、リターン光と同じ角度(例えば、リターンビーム角度)でDGSにリターンし、したがって、リターン経路に沿ってDGS110にぶつかるおおよその「コリメートされた(Collimated)」波動がある。リターン方向に、DGS110は、リターン光を逆の方法でCPに再びフォーカシングする。そして、反射表面が理想的な逆反射体である場合、リターン光は、放出CPにほぼ完璧に再びフォーカシングされる。したがって、それぞれの放出CPは、また、これが放出したリターン光も検出する-これは、ここで「相互型システム(Reciprocal System)」と呼ばれる。このようにして、1つ以上のCPは、DGS110が1つ以上の光ビームに回折する光を放出し、DGS110は、対応するリターン光を1つ以上のCPに回折させる。通常の技術を有する者は、CPA内のすべてのCPについて最適に動作するようにDGS内の格子を設計できる。
One of ordinary skill can design the diffraction grating of
図2は、1つ以上の実施形態によるFPAシステムを含むLiDARシステムを示す。FPAシステムは、図1を参照して前述したFPAシステム111であり得る。例えば、FPAシステムは、相互型システムであり得る。FPAシステムは、DGS200、選択的な光学素子202およびCPA201を含む。DGS200は、DGS110と実質的に同じであり得、CPA201は、CPA100と実質的に同じであり得る。図2において、DGS200は、出力ビーム角度を補正するために光学素子202(例えば、プリズム、マイクロプリズムアレイ、回折格子など)を選択的に採用できるCPA201から入力を受ける。一部の場合において、光学素子202は、(例えば、図8に関連して以下で説明するように)CPA201がその内部に内蔵され得ることに注意するべきである。DGS200は、様々な角度207でビームを出力する。CPA201内のCPは、FPAドライバ205によって制御される。CPA201内の1つ以上の個別のCPは、光を放出および受信するように活性化できる。CPA201によって放出された光は、Qチャンネルレーザーアレイ204によって生成される。Qチャンネルレーザーアレイ204は、Q個の並列チャンネルを有するレーザーアレイであり、Qは整数である。Qチャンネルレーザーアレイ204は、CPA201と直接統合できたり、CPA201と一緒にパッケージ化された別のモジュールであり得る。Qチャンネルレーザーアレイ204は、レーザーコントローラ206によって制御される。レーザーコントローラ206は、デジタル-アナログコンバータ208を介してLiDAR処理エンジン203から制御信号を受信する。また、処理は、FPAドライバ205を制御し、CPA201からデータを送信および受信する。
FIG. 2 illustrates a LiDAR system including an FPA system according to one or more embodiments. The FPA system may be the
LiDAR処理エンジン203は、マイクロコンピュータ209を含む。マイクロコンピュータ209は、FPAシステムからのデータを処理し、FPAドライバ205およびレーザーコントローラ206を介してFPAシステムに制御信号を送信する。また、LiDAR処理エンジン203は、Nチャンネル受信機210を含む。信号は、Nチャンネル受信機210によって受信され、信号は、Mチャンネルアナログ-デジタルコンバータ(ADC)211のセットを使用してデジタル化される。
図3は、1つ以上の実施形態による不均一な格子周期性を有するブレーズド回折格子を含むDGS310を含むFPAシステム311である。FPAシステム311は、FPAシステム111の一実施形態である。FPA311は、CPA300およびDGS310を含む。図示されていないが、FPA311は、また、CPA300とCPAのCPから放出された軸外し光を軸上光(例えば、主放出軸がCPAに垂直な光)に変換するDGS310の間の光学素子(例えば、プリズム、プリズムアレイまたは別の回折格子)を含み得ることに注意するべきである。一部の実施形態において、CPAに垂直に伝播する光は、CPAの光軸に実質的に平行である。また、光学素子は、軸上のリターン光(環境から反射したビームの一部)を軸外し光となるように屈折させることができる。示されるように、CP301は、DGS310を介して伝播する拡張する光ビーム303を放出する。DGS310は、直列に配列された複数のブレーズド回折格子305を含む。複数のブレーズド回折格子305は、DGS310から垂直に伝播するコリメートされた光ビーム306を生成する。この実施形態において、ブレーズド回折格子は、それぞれ従来のバルク光学レンズ素子の挙動を模倣するように、格子中心からの距離に応じて単調に展開される(すなわち、概ね増加するが、特定の部分では一定に維持されて減少しない)周期性を有する。従来のバルク光学レンズ素子は、本明細書に記載のDGSの実施形態と比較して(例えば、相対的により重く、より大きなフォームファクタを有し、より高価である)多くの欠点を有することに注意するべきである。同様に、CPA300における中心から外れて位置した第2CP302は、光を斜めのコリメートされた光ビーム307に変換するDGS310を介して伝播する光ビーム304を放出する。異なるCPからの光は、DGS310の出力において異なるビーム角度(例えば、出力ビーム角度)を有することに注意するべきである。したがって、FPAシステムは、異なるCPを選択的に活性化することによって、全環境でビームをステアリングできる。
FIG. 3 is an
図3は、FPAシステム311から環境内に放出される光を示しており、光は、リターン光(図示せず)として環境からFPAシステム311に再び反射/散乱する可能性があることに注意するべきである。一部の実施形態において、ブレーズド回折格子305のスタックは、リターン光が放出CPにリターンされる相互型システムとなるように設計される(例えば、ビーム306からのリターン光がCP301によって検出され、ビーム307に対応するリターン光がCP302によって検出される)。
Note that FIG. 3 shows light emitted from the
図4は、1つ以上の実施形態による数値的に設計された多段階格子を含むDGS410を含むFPAシステム411である。FPAシステム411は、FPAシステム111の一実施形態である。FPA411は、CPA400およびDGS410を含む。示されていないが、FPA411は、また、CPA400とCPAのCPから放出された軸外し光を軸上光(例えば、主放出軸がCPAに垂直な光)に変換するDGS410の間の光学素子(例えば、プリズム、プリズムアレイまたは別の回折格子)を含み得ることに注意するべきである。一部の実施形態において、CPAに垂直に伝播する光は、CPAの光軸に実質的に平行である。また、光学素子は、軸上のリターン光(環境から反射したビームの一部)を軸外し光となるように屈折させることができる。示されるように、CP401は、DGS410を介して伝播する拡張する光ビーム403を放出する。DGS410は、直列に配列された複数の多段階格子405を含む。多段階格子は、数値最適化の方法を使用して設計される重要でない厚さの分布を有する。同様に、CPA402の中心から外れて位置した第2ピクセルは、DGS410を介して伝播する光ビーム404を放出する。DGS410は、光を斜めのコリメートされた光ビーム407に変換する。
FIG. 4 is an
図4は、FPAシステム411から環境内に放出される光を示しており、光は、リターン光(図示せず)として環境からFPAシステム411に再び反射/散乱する可能性があることに注意するべきである。一部の実施形態において、DGS410は、リターン光を放出CPにリターンさせる相互型システムである(例えば、ビーム406からのリターン光がCP401によって検出され、ビーム407に対応するリターン光がCP402によって検出される)。
Note that FIG. 4 shows light emitted from the
図5は、1つ以上の実施形態によるCPA100の上部に位置設定されたマイクロプリズムアレイ502のダイヤグラムである。マイクロプリズムアレイ502は、光学素子202の一実施形態である。マイクロプリズムアレイ502は、周辺媒質(例えば、空気)の屈折率より高い屈折率を有する材料からなる(少なくともCPA100によって放出された光の帯域にわたって)透明な三角形要素のアレイを含む。CPA100は、個別のCPのアレイを含む。前述のように、CPA100のCPは、一度に1つずつおよび/またはグループでオンおよびオフにすることができる。
FIG. 5 is a diagram of a
それぞれのCPは、発光分布に応じて光を放出する発光領域を含む。例えば、CP101は、主放出軸520と軸外し境界525、530とを有する放出分布を有する。主放出軸520は、放出領域が最も強い光を放出する方向である。放出分布は、主放出軸520を中心に回転対称であるか、または回転非対称であり得る。
Each CP includes a light emitting region that emits light according to a light emission distribution. For example,
示されるように、それぞれのCPは、主放出軸が角度505で斜めの光ビームを放出する。-その結果、CPのそれぞれによって放出された光は、軸外し光である。軸外し光は、主放出軸がCPA100に垂直な軸に平行でない光である。一部の実施形態において、軸は、FPAシステムの光軸であり得る。対照的に、軸上光は、主放出軸が軸に実質的に平行な光である。示されるように、角度505は、それぞれのCPについて同じであるが、他の実施形態において、角度の一部または全部が互いに異なり得ることに注意するべきである。マイクロプリズムアレイ502のそれぞれのマイクロプリズムは、1つ以上のファセット(Facet)504を含む。それぞれのCPは、マイクロプリズムの少なくとも1つのファセットと重畳する。一部の実施形態において、単一のマイクロプリズムが複数のCPを重畳できることに注意するべきである。マイクロプリズムは、(例えば、マイクロプリズムの材料および1つ以上のファセット504の形状を通じて)軸外し光が軸上光に再指向され、同様に軸上光(すなわち、リターン光)が軸外し光に再指向されるように(すなわち、CPに入射するように)構成され得る。
As shown, each CP emits an oblique light beam with its principal emission axis at an
図6は、1つ以上の実施形態によるCPA100の上部に位置設定されたブレーズド回折格子602のダイヤグラムである。ブレーズド回折格子602は、光学素子202の一実施形態である。ブレーズド回折格子602は、屈折の代わりに回折の原理のもとに動作するという点を除いて、マイクロプリズムアレイ502と同じ機能を実施する。
FIG. 6 is a diagram of a blazed
図7は、1つ以上の実施形態による2次元に配列された例示的なマイクロプリズムアレイ(または同等には、ブレーズド回折格子)を示す。マイクロプリズムアレイは、光学素子202および/またはマイクロプリズムアレイ502の一実施形態であり得る。700において、マイクロプリズムアレイは、同一に斜めのCPの規則的なグリッドと互換性がある1D線形アレイに配列される。701において、マイクロプリズムアレイは、放射状に対称であり、これはCPの放射状に対称であるグリッドと互換性がある。702において、マイクロプリズムの位置と方向は、任意であり、これはCPの任意の配列と互換性がある。例えば、702に示されるそれぞれのマイクロプリズムは、1つ以上の対応するCPをカバーすることができ、一部の場合において、702におけるそれぞれのマイクロプリズムは、単一の対応するCPをカバーする。3つの例すべてにおいて、出射ビームは、同じ軸上の角度で伝播する。
FIG. 7 illustrates an exemplary microprism array (or equivalently, a blazed grating) arranged in two dimensions according to one or more embodiments. A microprism array may be an embodiment of
図8は、1つ以上の実施形態によって光学素子の内蔵型バージョンを示す。この場合において、コヒーレントピクセルアレイ800(例えば、CPA100の一実施形態)は、高屈折率媒質802に内蔵されたCP801を含む。光学素子は、コヒーレントピクセルアレイ800をオーバーモールドするモノリシック材料であり、モノリシック材料の表面804は、CP801によって放出された光が軸上光に屈折するようにCP801について角度を成している。CPは、小さな角度で伝播する光ビーム803を放出する。ビームは、研磨かつ小さな角度で斜めの表面504に衝突することによって、送信されたビーム805が垂直に伝播される(すなわち、実質的に軸上にあることになる)。他の実施形態において、表面の角度は、送信されたビーム8-5が一部の他のターゲット角度で放出されるようにするものであり得る。
FIG. 8 shows a self-contained version of the optical element according to one or more embodiments. In this case, a coherent pixel array 800 (eg, one embodiment of CPA 100) includes
図9は、1つ以上の実施形態によるスイッチ可能なコヒーレントピクセルアレイ(SCPA、Switchable Coherent Pixel Array)FMCW LiDARチップ911の概略図を示す。LiDARチップは、光集積回路である。チップは、複数の基本機能サブアレイ900を含み得る。それぞれのサブアレイ900は、光の入/出力(I/O)ポート902と、選択的な1-K光スプリッター903と、1つ以上のSCPA901と、を含み、ここで、Kは整数である。1-K光スプリッター903は、受動型または能動型であり得る。それぞれの光I/Oは、オフチップまたはオンチップレーザーによって提供される周波数変調光源によって供給される。光I/Oの数を減らすために選択的な1-K光スプリッターを介して光パワーがオンチップに分配されることができる。図示の実施形態において、1-K光スプリッター903のそれぞれの出力は、対応するSPCA901に供給される。図示の実施形態において、それぞれのSCPA901は、M個のコヒーレントピクセル905および光スイッチネットワーク904を含み、ここで、Mは整数である。一部の場合において、1つ以上の光スイッチネットワーク904、選択的な1-K光スプリッター903、またはこれらの一部の組み合わせは、単に光スイッチといえることに注意するべきである。光スイッチは、入力ポート902をコヒーレントピクセル内の光アンテナにスイッチ可能に結合するように構成され、これにより入力ポートと光アンテナとの間に光経路を形成する。光スイッチは、複数の能動光スプリッターを含み得る。一部の実施形態において、光スイッチは、FMCWトランシーバのスキャニング期間中に周波数変調されたレーザー信号を一度に1つずつ光アンテナのそれぞれに光学的に結合する。
FIG. 9 shows a schematic diagram of a Switchable Coherent Pixel Array (SCPA, Switchable Coherent Pixel Array)
光スイッチネットワーク904は、距離測定および検出のために周波数変調された光(FM Light)を送信および受信するように、M個のコヒーレントピクセルのうち、1つ以上を選択する。コヒーレントピクセルは、チップ上に物理的に1次元アレイ(例えば、線形アレイ)または2次元アレイ(例えば、長方形または規則性アレイ、例えば、グリッドのような非ランダム配列)に配列され得る。一部の実施形態において、選択されたコヒーレントピクセルは、光を自由空間に送信し、リターンされる光信号を受信し、コヒーレント検出を行い、光信号をデジタル信号処理のために電気信号に直接変換できる。受信された光信号は、検出できるようにスイッチネットワークを介して再び伝播することなく、代わりに(例示された実施形態には示されていないが)出力が個別にルーティングされ、これは損失を減少させ、したがって、信号品質を改善することに注意するべきである。
An
図10a~図10dは、1つ以上の実施形態による4つのバージョンのコヒーレントピクセルを示す。4つのバージョンのコヒーレントピクセルは、例えば、図9で前述したコヒーレントピクセルの実施形態であり得る。図10aおよび図10bにおいて、光スイッチネットワーク(例えば、光スイッチネットワーク904)からの光がコヒーレントピクセルの光入力ポート1003に提供される。双方向の光2×2スプリッター1002は、光をTX信号1005と局部発振器1006(LO、Local Oscillator)という2つの出力ポートに分割する。TX信号1005は、光アンテナ1000を使用してチップから送信される。光アンテナは、格子カプラ、エッジカプラ、統合反射器、または任意のスポットサイズコンバータのように、オンチップ導波管から自由空間に光を放出するか、または自由空間からオンチップ導波管に光を結合する装置である。光アンテナは、通常、1つの特定の偏光(例えば、TE)を有する光についてはるかに高い放出/結合効率を有する偏光感度を有し得る。アンテナは、相互型であり、したがって、測定下のオブジェクトから反射したビームを収集し、これを双方向2×2スプリッター1002に再び送信し、当該スプリッターは、これを再びポート1004、1006の間に分割する。双方向の光2×2スプリッター1002は、送信機と受信機が一緒に配置されたこのようなモノスタティック構成において、「擬似サーキュレータ(Pseudo Circulator)」として機能する。ポート1004およびLO1006からの受信された信号は、図10aのような平衡2×2光結合器1001または図10bのようなハイブリッド光学素子(Optical Hybrid)1009であり得る光ミキサーによるコヒーレント検出のためにミックスされる。最後に、図10aにおける一対のフォトダイオード(PD、Photo-Diode)1007と図10bにおける4つのPDは、ビートトーン検出のために光信号を電気信号に変換する。図10aにおけるバージョンは、平衡フォトダイオード(BPD、Balanced Photo-Diode)バージョンと呼ばれ、図10bのバージョンは、ハイブリッドバージョンと呼ばれる。ハイブリッドバージョンは、FMCW LiDARシステムで速度-距離の曖昧さを解消したり、高度なDSPアルゴリズムを可能にするために使用できる同相および直交位相(In-phase and Quadrature)出力(I/Q)を提供する。双方向の光2×2スプリッターを「擬似サーキュレータ」として使用すれば、数百個のピクセルを有する大規模アレイ(Large-Scale Array)について非実用的なすべての単一ピクセルのための個別サーキュレータを有することを除去できる。したがって、(誘導された光パワーの一部がコヒーレント検出に使用できないため)、コヒーレントピクセルは、最大6dBの信号対雑音比(SNR)ペナルティでコストおよびフォームファクタを大幅に低減し得る。例えば、受信された光信号は、ポート1003とポート1004との間で分割でき、後者は、コヒーレント検出に使用される。図10cおよび10dに示されるコヒーレントピクセルの設計は、新しい構造に偏光分割アンテナ1010を導入することによって、このような制限を解決する。光スイッチネットワークからの光は、コヒーレントピクセルの光入力ポート1003に提供される。光スプリッター1012は、光をTX信号1015と局部発振器1014(LO)という2つの出力ポートに分割する。TX信号1015は、1つの偏光(例えば、TM)を有する偏光分割光アンテナ1010を使用してチップから直接送信される。アンテナは、測定下のオブジェクトから反射したビームを収集し、直交偏光(例えば、TE)を導波管1013に結合し、これを光ミキサーに直接送信する。この場合において、アンテナによって受信された光信号は、追加のスプリッターまたは「擬似サーキュレータ」によってこれ以上分割されない。ポート1013とLO1014から受信された信号は、図10cのような平衡2×2光結合器1001、または図10dのようなハイブリッド光学素子1009であり得る光ミキサーによるコヒーレント検出のためにミックスされる。最後に、図10cにおける一対のフォトダイオード(PD)1007と図10dにおける4つのPDは、ビートトーン検出のために光信号を電気信号に変換する。この設計は、すべての単一のコヒーレントピクセルについて非常に効率的な統合サーキュレータを実装し、超高感度のオンチップモノスタティックFMCW LiDARを可能にする。その詳細は、図8~図10でさらに論じられる。一部の実施形態において、図2と連携して、図10a~図10dのコヒーレントピクセルは、複数の光アンテナのそれぞれが別のスプリッターを有し、それぞれのスプリッターは、光スイッチと対応するアンテナの間の個別の光経路に沿って結合されるようにするものである。
追加構成情報
Figures 10a-10d illustrate four versions of coherent pixels according to one or more embodiments. The four versions of coherent pixels can be, for example, the embodiment of coherent pixels described above in FIG. 10a and 10b, light from an optical switch network (eg, optical switch network 904) is provided to the
Additional configuration information
図面および前述の説明は、単に例示として好ましい実施形態に関する。前述のように、本明細書に開示された構造および方法の代替実施形態は、請求項の原理から逸脱することなく採用できる実行可能な代替として容易に認識されることに注意するべきである。 The drawings and the foregoing description relate to preferred embodiments by way of illustration only. As noted above, it should be noted that alternative embodiments of the structures and methods disclosed herein are readily recognized as viable alternatives that may be employed without departing from the principles of the claims.
詳細な説明は、多数の詳細を含むが、これらは本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではなく、単に異なる例を例示するものと解釈されるべきである。本開示内容の範囲は、前記で詳細に説明されていない他の実施形態が含まれていることを理解されるべきである。本明細書に開示された方法および装置の配列、動作および詳細について、添付の特許請求の範囲で定義された思想および範囲から逸脱することなく、通常の技術を有する者に自明である様々な他の変形、変化および変更が行われ得る。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその法的均等物によって決定されるべきである。 While the detailed description contains numerous details, these should not be construed as limiting the scope of the invention, but merely as exemplifying different examples. It should be understood that the scope of the disclosure includes other embodiments not described in detail above. Various alternatives that will be apparent to those of ordinary skill in the arrangement, operation and details of the methods and apparatus disclosed herein without departing from the spirit and scope defined in the appended claims. Variations, changes and modifications of may be made. Accordingly, the scope of the invention should be determined by the appended claims and their legal equivalents.
代替実施形態は、コンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアおよび/またはこれらの組み合わせで実装される。実施形態は、プログラマブルプロセッサによる実行のために機械読み取り可能な格納装置に実質的に具体化されたコンピュータプログラム製品として実装でき、方法ステップは、入力データについて動作して出力を生成することによって機能を行うために命令語プログラムを実行するプログラマブルプロセッサによって行われ得る。実施形態は、有利には、データ格納システム、少なくとも1つの入力装置および少なくとも1つの出力装置からデータおよび命令語を受信し、これからデータおよび命令語を送信するように結合された少なくとも1つのプログラマブルプロセッサを含むプログラマブルシステムで実行可能な1つ以上のコンピュータプログラムで実装できる。それぞれのコンピュータプログラムは、高度な手続き的またはオブジェクト指向のプログラミング言語または必要に応じてアセンブリまたは機械語で実装でき、任意の場合、言語は、コンパイルまたはインタープリトされた言語であり得る。適切なプロセッサは、例として、汎用および特殊目的のマイクロプロセッサを含む。一般的に、プロセッサは、リードオンリーメモリ(ROM)および/またはランダムアクセスメモリ(RAM)から命令語およびデータを受信する。一般的に、コンピュータは、データファイルを格納するための1つ以上の大容量の格納装置を含み、このような装置は、内部ハードディスクおよびリムーバブルディスクなどの磁気ディスク、光磁気ディスク、および光ディスクを含む。コンピュータプログラム命令語およびデータを実質的に実装するのに適切な格納装置は、例として、EPROM、EEPROMおよびフラッシュメモリ装置などの半導体メモリ装置、内部ハードディスクおよびリムーバブルディスクなどの磁気ディスク、光磁気ディスク、およびCD-ROMディスクを含むあらゆる形態の不揮発性メモリを含む。前述のすべては、特定用途向け集積回路(ASIC、Application-Specific Integrated Circuit)および他の形態のハードウェアによって補完されるか、またはこれに統合され得る。 Alternative embodiments are implemented in computer hardware, firmware, software and/or combinations thereof. Embodiments can be implemented as a computer program product substantially embodied in a machine-readable storage device for execution by a programmable processor, the method steps performing functions by operating on input data and generating output. It may be performed by a programmable processor executing an instruction language program to perform. Embodiments advantageously include at least one programmable processor coupled to receive data and instructions from, and transmit data and instructions from, a data storage system, at least one input device and at least one output device can be implemented in one or more computer programs executable on a programmable system including Each computer program can be implemented in a high-level procedural or object-oriented programming language, or assembly or machine language, as appropriate, and in any case, the language can be a compiled or interpreted language. Suitable processors include, by way of example, general and special purpose microprocessors. Generally, a processor receives instructions and data from read-only memory (ROM) and/or random access memory (RAM). Generally, a computer includes one or more mass storage devices for storing data files, such devices including magnetic disks, such as internal hard disks and removable disks, magneto-optical disks, and optical disks. . Storage devices suitable for substantially implementing the computer program instructions and data include, by way of example, semiconductor memory devices such as EPROM, EEPROM and flash memory devices; magnetic disks such as internal hard disks and removable disks; magneto-optical disks; and any form of non-volatile memory including CD-ROM disks. All of the foregoing may be supplemented by or integrated with Application-Specific Integrated Circuits (ASICs) and other forms of hardware.
Claims (20)
コヒーレントピクセルを含むコヒーレントピクセルアレイ-それぞれの前記コヒーレントピクセルは、コヒーレント光を放出するように構成される-と、
前記コヒーレントピクセルアレイから放出されるコヒーレント光を1つ以上の光ビームとして環境内に回折させるように位置設定された少なくとも1つの回折格子を含む回折格子スタック-前記1つ以上の光ビームは、それぞれ特定の角度で放出され、前記特定の角度は、前記1つ以上のビームを形成する前記コヒーレント光を生成した前記コヒーレントピクセルの位置に部分的に基づく-と、を含む焦点平面アレイシステム。 A focal plane array system for a frequency modulated continuous wave LiDAR system, comprising:
a coherent pixel array comprising coherent pixels, each said coherent pixel being configured to emit coherent light;
a diffraction grating stack comprising at least one diffraction grating positioned to diffract coherent light emitted from said coherent pixel array as one or more light beams into an environment, each of said one or more light beams Emitted at a particular angle, said particular angle being based in part on the position of said coherent pixels that produced said coherent light forming said one or more beams.
前記回折格子スタックは、前記リターン光を前記1つ以上のビームを生成した1つ以上のコヒーレントピクセルに回折させるように位置設定される請求項1に記載の焦点平面アレイシステム。 the one or more light beams reflect from objects in the environment to form return light;
2. The focal plane array system of claim 1, wherein said grating stack is positioned to diffract said return light into one or more coherent pixels that generated said one or more beams.
前記焦点平面アレイシステムは、前記コヒーレントピクセルアレイと前記回折格子スタックとの間に位置設定される光学素子-前記光学素子は、前記コヒーレントピクセルアレイによって放出された前記軸外し光を軸上光に再指向させるように位置設定され、前記軸上光は、前記コヒーレントピクセルアレイの光軸に実質的に平行である-をさらに含む請求項1に記載の焦点平面アレイシステム。 the light emitted by the coherent pixels of the coherent pixel array is off-axis light;
The focal plane array system comprises an optical element positioned between the coherent pixel array and the diffraction grating stack - the optical element reverts the off-axis light emitted by the coherent pixel array to on-axis light. 2. The focal plane array system of claim 1, further comprising: positioned to direct, said on-axis light being substantially parallel to an optical axis of said coherent pixel array.
前記焦点平面アレイシステムは、前記コヒーレントピクセルアレイと前記回折格子スタックとの間に位置設定される光学素子-前記光学素子は、前記コヒーレントピクセルアレイによって放出された前記軸外し光を軸上光に再指向させるように位置設定され、前記軸上光は、前記コヒーレントピクセルアレイの光軸に実質的に平行である-をさらに含む請求項1に記載の焦点平面アレイシステム。 the light emitted by the coherent pixel array is off-axis light;
The focal plane array system comprises an optical element positioned between the coherent pixel array and the diffraction grating stack - the optical element reverts the off-axis light emitted by the coherent pixel array to on-axis light. 2. The focal plane array system of claim 1, further comprising: positioned to direct, said on-axis light being substantially parallel to an optical axis of said coherent pixel array.
コヒーレントピクセルアレイのコヒーレントピクセルから放出されるコヒーレント光を1つ以上の光ビームとして環境内に回折させるように位置設定された少なくとも1つの回折格子-前記1つ以上の光ビームは、それぞれ特定の角度で放出され、前記特定の角度は、前記1つ以上のビームを形成する前記コヒーレント光を生成した前記CPの個別の位置に部分的に基づく-を含む回折格子スタック。 A grating stack for a frequency modulated continuous wave LiDAR system, comprising:
at least one diffraction grating positioned to diffract coherent light emitted from the coherent pixels of the coherent pixel array as one or more light beams into the environment--the one or more light beams each having a specific angle; wherein said particular angles are based in part on the individual positions of said CPs that produced said coherent light forming said one or more beams.
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US201962879382P | 2019-07-26 | 2019-07-26 | |
US201962879383P | 2019-07-26 | 2019-07-26 | |
US62/879,383 | 2019-07-26 | ||
US62/879,382 | 2019-07-26 | ||
PCT/US2020/043556 WO2021021654A1 (en) | 2019-07-26 | 2020-07-24 | Focal plane array system for fmcw lidar |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2022541653A true JP2022541653A (en) | 2022-09-26 |
Family
ID=74228795
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022505269A Pending JP2022541653A (en) | 2019-07-26 | 2020-07-24 | Focal plane array system for FMCW LiDAR |
Country Status (8)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20220146645A1 (en) |
EP (1) | EP4004598A4 (en) |
JP (1) | JP2022541653A (en) |
KR (1) | KR20220038369A (en) |
CN (1) | CN114207463A (en) |
AU (1) | AU2020320867A1 (en) |
CA (1) | CA3146861A1 (en) |
WO (1) | WO2021021654A1 (en) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2023509710A (en) * | 2020-01-03 | 2023-03-09 | アワーズ テクノロジー リミテッド ライアビリティー カンパニー | High-Resolution Frequency Modulated Continuous Wave LiDAR Including Solid-State Beam Steering |
EP4075192B1 (en) * | 2021-04-16 | 2024-05-22 | Scantinel Photonics GmbH | Device and method for scanning fmcw-lidar range measurement |
KR102654876B1 (en) * | 2023-06-21 | 2024-04-05 | 주식회사 인포웍스 | Telecentric ftheta transmit/receive optical system through doe design |
Family Cites Families (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS59146008A (en) * | 1983-02-10 | 1984-08-21 | Olympus Optical Co Ltd | Focusing detector |
US4725131A (en) * | 1985-03-11 | 1988-02-16 | Trw Inc. | Laser combiner |
IL111392A (en) * | 1994-10-25 | 2000-02-17 | Elop Electrooptics Ind Ltd | Linear beam steering |
US7997771B2 (en) * | 2004-06-01 | 2011-08-16 | 3M Innovative Properties Company | LED array systems |
US7583875B2 (en) * | 2005-07-22 | 2009-09-01 | Seiko Epson Corporation | Illumination device, image display device, and projector |
US7544945B2 (en) * | 2006-02-06 | 2009-06-09 | Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. | Vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) array laser scanner |
US10423222B2 (en) * | 2014-09-26 | 2019-09-24 | Digilens Inc. | Holographic waveguide optical tracker |
US10126411B2 (en) * | 2015-03-13 | 2018-11-13 | Continental Advanced Lidar Solutions Us, Llc. | Beam steering LADAR sensor |
JP6754425B2 (en) * | 2015-05-30 | 2020-09-09 | レイア、インコーポレイテッドLeia Inc. | Vehicle monitoring system |
US9946089B2 (en) * | 2015-10-21 | 2018-04-17 | Princeton Optronics, Inc. | Generation of coded structured light patterns using VCSEL arrays |
DE102015121839A1 (en) * | 2015-12-15 | 2017-06-22 | Sick Ag | Optoelectronic sensor and method for detecting an object |
CN113325598B (en) * | 2016-01-04 | 2023-05-09 | 奥崔迪合作公司 | 3D display device |
US10761195B2 (en) * | 2016-04-22 | 2020-09-01 | OPSYS Tech Ltd. | Multi-wavelength LIDAR system |
US10305247B2 (en) * | 2016-08-30 | 2019-05-28 | Apple Inc. | Radiation source with a small-angle scanning array |
CA3039108C (en) * | 2016-10-26 | 2023-12-05 | Magic Leap, Inc. | Outcoupling grating for augmented reality system |
US10338321B2 (en) * | 2017-03-20 | 2019-07-02 | Analog Photonics LLC | Large scale steerable coherent optical switched arrays |
US20190067901A1 (en) * | 2017-08-30 | 2019-02-28 | Lumentum Operations Llc | Integrated package for laser driver and laser diode |
CN109343025B (en) * | 2018-08-14 | 2023-06-27 | 清华大学 | Laser radar transmitting system, laser radar detecting system and laser radar detecting method |
US11262644B1 (en) * | 2019-05-10 | 2022-03-01 | Facebook Technologies, Llc | Structured light projector with solid optical spacer element |
US11486986B2 (en) * | 2019-06-21 | 2022-11-01 | Aeva, Inc. | LIDAR system with solid state spectral scanning |
-
2020
- 2020-07-24 JP JP2022505269A patent/JP2022541653A/en active Pending
- 2020-07-24 AU AU2020320867A patent/AU2020320867A1/en active Pending
- 2020-07-24 KR KR1020227004233A patent/KR20220038369A/en active Search and Examination
- 2020-07-24 CN CN202080052561.XA patent/CN114207463A/en active Pending
- 2020-07-24 EP EP20848432.9A patent/EP4004598A4/en active Pending
- 2020-07-24 WO PCT/US2020/043556 patent/WO2021021654A1/en unknown
- 2020-07-24 CA CA3146861A patent/CA3146861A1/en active Pending
-
2022
- 2022-01-26 US US17/585,234 patent/US20220146645A1/en active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP4004598A1 (en) | 2022-06-01 |
CA3146861A1 (en) | 2021-02-04 |
US20220146645A1 (en) | 2022-05-12 |
WO2021021654A1 (en) | 2021-02-04 |
AU2020320867A1 (en) | 2022-02-03 |
CN114207463A (en) | 2022-03-18 |
KR20220038369A (en) | 2022-03-28 |
EP4004598A4 (en) | 2023-11-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11448736B2 (en) | Switchable coherent pixel array for frequency modulated continuous wave light detection and ranging | |
US20220146645A1 (en) | Focal plane array system for lidar | |
JP7274571B2 (en) | LIDAR system based on complementary modulation of multiple lasers and coherent receivers for simultaneous ranging and velocity measurements | |
KR102570360B1 (en) | Wavelength division multiplexed LIDAR | |
US4297704A (en) | Phase sensitive spectrum analyzer | |
US11754681B2 (en) | LIDAR system with a multi-mode waveguide photodetector | |
JP5237813B2 (en) | Electro-optical measuring device | |
US9612402B2 (en) | Integrated sub-wavelength grating system | |
US20220334226A1 (en) | High resolution frequency modulated continuous wave lidar with solid-state beam steering | |
JP2022550230A (en) | Wavelength selection in LIDAR systems | |
US9279718B2 (en) | Methods, systems, and devices for multibeam coherent detection and speckle mitigation | |
WO2021262207A1 (en) | Continuous-wave light detection and ranging (lidar) system | |
CN118119861A (en) | Increasing LIDAR measurement rate | |
JP2010261792A (en) | Transmission/reception integrated type optical device | |
US20240160028A1 (en) | Flat optics for light coupling | |
US20220365277A1 (en) | Beam Scanning with Tunable Lasers | |
WO2023088948A1 (en) | Illumination modules including optical elements to produce light steering functions or different illumination patterns | |
Voskerchyan et al. | Flexible and highly scalable concept for an FMCW LiDAR PIC based on Tilted Grating Couplers |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230719 |
|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20231205 |
|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20240202 |
|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20240214 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20240423 |